一种用于膨胀性土层的浅埋暗挖隧道支护
技术领域
本实用新型属于隧道支护技术领域，具体涉及一种用于膨胀性土层的浅埋暗挖隧道支护。
背景技术
隧道浅埋暗挖法施工作为城市地铁工程施工中经常运用的一种施工方法，在地铁方面已有多个成功先例，施工技术也日趋成熟。浅埋暗挖法施工具有造价低、灵活多变、对交通和周边环境干扰较小等特点，相应的，浅埋暗挖法的支护技术也对于控制成洞隧道的稳定性指标和地表沉降量指标具有重要的作用。实际施工过程中，人们也逐渐发现，浅埋暗挖隧道的开挖会引起地表沉降和地层变形，当沉降变形过大时会增大施工风险和影响地面建筑物的安全。而与此同时，膨胀土是一种遇水膨胀，失水收缩的特殊土，由于膨胀性土地层土质条件的特殊性，和实际施工中可能遇到的比如小导管注浆导致围岩膨胀软化变形，以及传统的小导管打设困难等问题，这些都容易导致隧道初期出现较大变形，甚至造成传统支护结构和围岩的整体失稳破坏，影响施工效果和施工进度。是否能够研发出一种新型支护结构，使之能够应用于膨胀性土层所使用，从而确保浅埋暗挖隧道施工过程安全、顺利进行，并能在有效确保锚管的高预应力可靠锚固的同时，有效地控制膨胀土地层浅埋暗挖隧道引起的地表沉降和拱顶变形状况，最终有效降低施工风险，这是本领域技术人员近年来所亟待解决的技术难题。
发明内容
本实用新型的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种新型的用于膨胀性土层的浅埋暗挖隧道支护，其且支护效率高且支护效果好，能确保浅埋暗挖隧道施工过程安全、顺利进行，并能在有效确保锚管的高预应力可靠锚固的同时，有效地控制膨胀土地层浅埋暗挖隧道引起的地表沉降和拱顶变形状况，最终有效降低施工风险，适用于膨胀性土层所使用。
为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：
一种用于膨胀性土层的浅埋暗挖隧道支护，本支护为复合式衬砌，包括沿隧道径向由外而内依序布置的超前支护层、初期支护层以及后期支护层；其特征在于：所述超前支护层包括管长方向平行隧道长度方向布置的钢管以及管身轴线与隧道轴线处于同一面上的打入式锚管；各钢管环绕隧道轴线而在隧道拱形面上彼此平行且依序周向间隔均布，从而形成大管棚预支护；打入式锚管穿过大管棚预支护所形成拱形面并倾斜打入围岩土层内，以便与围岩土层间形成夹角，各打入式锚管彼此平行且同样在隧道拱形面上依序周向间隔均布；
所述打入式锚管包括直管状的管身以及同轴布置于管身顶端管口处的锚头，所述锚头外形呈圆锥状且锚头的用于配合管身顶端管口的锥底面直径等于管身外径；所述锚头的锥面处径向凹设有槽长方向平行锚头轴线方向的容纳槽，所述容纳槽为尖部朝向锚头尖端且尾部朝向管身所在方向的水滴状的沉槽结构；防松翼板通过铰接轴铰接在容纳槽内；防松翼板外形呈两梯形边与容纳槽两槽壁彼此平行的梯形块状，铰接轴用于配合防松翼板的配合位置相对靠近防松翼板的梯形顶边处，且铰接轴的两轴端分别配合于容纳槽的两相对槽壁上；防松翼板的用于配合容纳槽槽底面的内侧面处布置有凹槽，且凹槽槽长方向平行锚头轴线方向；防松翼板尾端与水滴状的容纳槽的尾端之间间隙以及凹槽槽腔均形成供砂石进入的容纳空间。
优选的，所述钢管为外径为108mm且壁厚为6mm的热轧管，每相邻两组钢管间距400mm。
优选的，所述管身为外径为42mm且壁厚为3.5mm的热轧无缝管，管身长度为3.5m；所述打入式锚管与围岩土层间形成的夹角为5°～15°。
优选的，以一组容纳槽配合一组防松翼板而形成一组防松单元，所述防松单元为两组以上，各防松单元环绕锚头轴线而在锚头锥面处周向依序均布。
优选的，所述容纳槽的槽底面平行锚头的轴线，且所述容纳槽的靠近尖端的槽底面处凹设有提供防松翼板的梯形顶边的向下活动空间以及限制防松翼板最大展开角度的止口槽。
优选的，所述管身的顶端管口的管腔处设置内螺纹段，所述锚头的锥底面处同轴向外延伸设置配合段且配合段处布置外螺纹段，以使得锚头与管身间形成螺纹固接配合。
本实用新型的有益效果在于：
1)、针对传统的支护结构，本实用新型设计更为合理，操作简便，支护效率更高且效果更好，能确保浅埋暗挖隧道施工过程安全、顺利进行，能有效地控制膨胀土地层浅埋暗挖隧道引起的地表沉降和拱顶变形。
由于实际施工中，显然，采用普通锚杆无法满足膨胀土层的施工需求，且存在在膨胀性地层的隧道超前支护和初期支护中产生因注浆导致围岩膨胀而不需要注浆以及小导管打入困难的问题，因此，本实用新型另辟蹊径的采用了带有锚头的锚管设计和相对围岩土层的倾斜打入式的锚固方案。具体使用时，通过直接将锚头朝向指定的锚固点并依靠外力打入，无需预钻孔及额外注浆，即可实现对隧道施工初期周围岩土体的强度的提升目的。此外的，本实用新型在上述结构基础上，还增设了防松翼板。通过将防松翼板安置于容纳槽内，并对防松翼板的前端进行铰接，从而在锚头打入土层时，防松翼板会随锚头的前行力而收拢，进而不影响本实用新型的正常使用。而当本实用新型打入到位而锚头停止行进时，通过后续工程施工时的土层振动和挤压，土层中的砂石会逐渐进入防松翼板尾端与水滴状的容纳槽的尾端之间间隙以及凹槽槽腔内，以便逐渐的撑开防松翼板，使得防松翼板的尾端逐渐从容纳槽内探出并形成展开状态，从而死死的由内而外的撑住锚头所在孔洞的周围孔壁，以有效确保锚管的可靠锚固性。
2)、进一步的，本实用新型对钢管及构成打入式锚管的管身材质及尺寸均有所限定，以保证本实用新型施工过程的可靠性。而打入式锚管与围岩土层间形成的夹角为5°～15°，也即施工时打入式锚管应当沿隧道开挖外轮廓线周边以5°～15°外插角打入岩层中，其目的是加固围岩中不稳定的土体，从而通过锚管尽可能贴附岩层表面扎入岩层内，进而增强围岩的抗拉和抗剪能力，有效地控制隧道上部土层沿隧道轴向上而非径向上的变形量，最终保证隧道整体结构的稳定性。
3)、本实用新型可将防松翼板布置为两组以上并沿锚头的锥面周向均布，以保证防松翼板展开后的整体结构的稳定性。止口槽的设置，目的一方面是在保证容纳槽尽可能开浅以确保锚头结构的刚度的前提下，提供防松翼板产生展开动作时的活动空间。另一方面，防松翼板也应当具备最大的展开角度，以避免防松翼板过度展开而失去其初始的轴向防松脱功能。
4)、进一步的，本实用新型的管身与锚头之间可以有多种配合方式，如一体成型，甚至是先逐个加工后再采用焊固的方式后期装配成型等。本实用新型优选采用先期逐个加工再后期螺纹装配的方式，以在保证生产流程的快速化的同时，实现本实用新型的便捷化装配功能。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为隧道开挖施工纵断面工序图；
图3为打入式锚管的结构示意图；
图4为防松翼板处于收拢状态时，打入式锚管的锚头的结构示意图；
图5为打入式锚管的剖视示意图；
图6为防松翼板处于展开状态时，打入式锚管的锚头的结构示意图。
本实用新型各标号与部件名称的实际对应关系如下：
A-超前支护层 A1-钢管 A2-打入式锚管
B-初期支护层 C-后期支护层
10-管身 11-定向槽
20-锚头 21-容纳槽 21a-止口槽 22-配合段
31-防松翼板 31a-凹槽 32-铰接轴
具体实施方式
为便于理解，此处结合图1-6，以四步CRD法施工为例，对本实用新型的具体结构及工作方式作以下进一步描述：
在四步CRD法施工中，本实用新型需将浅埋暗挖通道分成图1-2 所示的①、②、③、④四个导洞开挖。相邻两导洞开挖施工间隔3～ 4m。各导洞每次开挖进尺为一个型钢钢架间距，严禁多榀一次开挖。
在开挖段前制作超前支护层A，如图1所示的，需预先铺设钢管 A1，并沿隧道开挖外轮廓线周边采用非注浆的打入式锚管A2。开挖后立即进行型钢钢架安装与钢筋网铺设，并进行喷射混凝土，上台阶钢格栅安装完毕后及时施做锁脚锚管并进行注浆填充，从而形成初期支护层B。待初期支护层B达到强度后在初期支护层B背后注浆。最后进行后期支护层C的铺设。
实际操作超前支护层A时，出入口暗挖段采用大管棚预支护。构成大管棚预支护的钢管采用φ108×6mm的热轧管，长度根据设计要求沿通道通长布置，每相邻两组钢管的间距为400mm。注浆管棚施工完成四根，即可开始注浆，其目的是充填大管棚预支护，增加大管棚预支护的刚度。同时，通过管壁的孔眼使浆液注入到大管棚预支护的周围以加固地层。注浆分两步完成，当第一次注浆的浆液充分收缩后，进行第二次注浆，以使大管棚预支护填充密实。之后，如图2所示的，通过在隧道拱部采用非注浆的打入式锚管A2，分部开挖左侧导坑①部土体，架设临时仰拱，施作初期支护；再开挖②部土体，施作初期支护；之后再同理逐一开挖③及④部土体。
打入式锚管A2采用外径为42mm且壁厚为3.5mm的热轧无缝管加工制成，打入式锚管A2长3.5m。打入式锚管A2使用时无需提前在围岩处钻孔，打设时锚头20直接插入围岩土体并打入，打入后免去了注浆过程。打入式锚管A2施工时，管身应当沿隧道开挖外轮廓线周边以 5°～15°外插角打入岩层中。
更具体而言，打入式锚管A2的具体结构如图3-6所示，其主要结构包括管身10以及螺纹装配于管身10的顶端管口处的锚头20。其中：
管身10的外形参照图3及图6所示的呈现直圆管状。在图6所示结构中，管身10外壁处布置四道定向槽11，且各定向槽11环绕管身 10轴线而在管身10外壁周向均布。通过管身10的自身形状以及定向槽11的设计，更利于管身10沿经由锚头20钻好的孔洞处进入，以达到锚固效果。
对于锚头20而言，其外形呈如图3-6所示的圆锥状。实际操作时，锚头20的锥底面处同轴外凸设置有配合段22，通过配合段22处外螺纹段与管身10的顶端管口也即图3所示右端管口处的内螺纹段的螺纹拧合，从而实现锚头20相对管身10的快速装配功能。锚头20处还如图4及图6所示的环绕自身轴线布置四组防松单元，每组防松单元均包括一组容纳槽21以及一组通过铰接轴32而铰接布置于容纳槽21 内的防松翼板31。实际装配铰接轴32时，可考虑直接对容纳槽21的两侧槽壁进行对穿从而获得对穿孔，再在对穿孔内穿入铰接轴32从而配合位于容纳槽21内的防松翼板31的前端部，以实现其便捷化装配目的。而对于容纳槽21而言，其外形呈现如图4所示的水滴状，且容纳槽21的槽底面应当平行锚头20轴线，并在容纳槽21的尖端设置如图6所示的止口槽21a。如图6所示的止口槽21a限制了防松翼板31的展开动作极限，以保证打入式锚管A2的动作可靠性。
为便于进一步理解打入式锚管A2，此处结合图3-6而对打入式锚管A2的具体工作状态作以下描述：
实际操作时，当防松翼板31处于如图3-6所示的收拢状态时，此时防松翼板31容纳于容纳槽21内，或可考虑如图3所示的防松翼板 31的尾端略高于容纳槽21的槽沿。在锚头20打入土层过程中，防松翼板31会随锚头20的前行力而始终呈现收拢状态，而不影响打入式锚管A2的正常使用。
而当打入式锚管A2打入到位而锚头20停止行进时，通过后续施工过程中的土层振动和挤压，土层中的砂石会逐渐进入防松翼板31 尾端与水滴状的容纳槽21的尾端之间间隙以及凹槽31a槽腔内，从而逐渐的撑开防松翼板31。一旦防松翼板31被撑开，此时使得防松翼板31的尾端会因铰接轴32的作用，而逐渐从容纳槽21内探出并形成展开状态，从而死死的由内而外的撑住锚头20所在孔洞的周围孔壁，最终有效的确保了锚管的可靠锚固性。
土体开挖后应及时架立型钢钢架，挂网喷射砼封闭成环。为防止拱脚下沉，在图1-2所示的①、③部土体处导洞开挖时，应在型钢钢架的两侧拱脚处打设锁脚锚杆为提高初期支护整体受力性能，前后两榀型钢之间需纵向设置连接钢筋。
初期支护层B采用I22a@500mm型钢钢架+钢筋网+300mm厚早强 C25喷射混凝土。使用时，在型钢钢架布置好后，在其上挂设用于提高混凝土附着力的钢筋网，之后喷射混凝土成型即可。初期支护层B 背后注入1:1水泥砂浆，此时需注意施工时应当预留注浆管。注浆深度为初支背后0.5m。
对于后期支护层C而言，其采用常规的复合式衬砌施工：也即采用C35P8钢筋防水混凝土，厚度为500mm，并采用1.5mm厚EVA的塑料防水板进行全包防水。塑料防水板与基层间设置400g/m2的短纤无纺布缓冲层，底板或仰拱防水层上表面设置400g/m2的无纺布保护层，并浇注5cm厚的细石混凝土保护层。后期支护层C背后注等强微膨胀水泥砂浆，拱部预留注浆孔3～5个，纵向间距为4m，梅花形设置即可。
